[发明专利]一种跨介质时变流体参数在线估计的方法

说明书

本发明公开了一种跨介质时变流体参数在线估计的方法，所述方法包括：针对水下航行器，在跨介质入水过程中的时变参数建立指数过程和随机白噪声叠加的数学模型；利用自适应UKF滤波算法，对跨介质入水过程的阻尼系数和舵力矩系数进行在线估计。采用本发明的技术方案，通过自适应在线估计水下航行器跨介质阶段阻尼系数以及舵力矩系数，结合传感器测量和高性能控制器，可提高系统的响应速度，抑制流体干扰，优化弹道性能，且多种态势仿真结果验证了该方法在实际应用中的有效性。

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及尤其涉及水下航行器时变流体参数估计算法，具体为一种跨介质时变流体参数在线估计的方法。

背景技术

水下航行器由空中以一定的速度穿越自由液面进入水中，跨越水、气两种介质的交界面过程称为跨介质的入水过程。航行器在入水前，受空中多种因素的影响，如风向、风速、舰船的摇摆、飞机(直升机)的高度、速度和海况等随机因素影响，造成航行器入水初始条件具有很大的随机性和离散性。另外，航行器在入水过程中，涉及到空化、湍动、穿越自由液面等复杂物理现象；同时受到自由面波动的影响，使跨介质航行器具有复杂的非定常、非线性流体动力特性。

1、航行器跨介质入水过程：

水下航行器跨介质入水，经受入水冲击，空泡产生、带空泡在水中运动、空泡溃灭、动力系统启动、螺旋桨从被动态转为主动态，最终达到恒定转速等一系列过程。因此，水下航行器跨介质入水过程是和空泡紧密相连的，根据空泡的特性变化，全沾湿段之前可分为4个阶段：

流动形成阶段：航行器刚入水时，在静止的水中建立一个流场，同时经受到最大的入水加速度，这时的力最具破坏性，影响也最大。

开口空泡阶段：当航行器从水面进入水下时，在航行体周围产生一个空气泡，该空泡的上端(水面)对大气是敞开的，并随着入水深度增加，不断增长变长，甚至可达数倍航行体长，然后才在空泡的上端封闭。在开口空泡阶段，对斜入水航行器，在其头部的下侧，优于压力的降低可能产生局部封闭的蒸汽空泡。

封闭空泡：该阶段中航行器为封闭的空泡所包围，航行体带着空泡一起航行。当航行深度不断增加，空泡外围压力随之增加，封闭空泡在内外压差的作用下逐渐变小。

空泡溃灭阶段：封闭空泡尺度减小到一定程度时，先在航行器的尾部溃灭，然后在其他部分逐渐溃灭。

经过以上过程，水下航行器受各种干扰力、力矩作用，导致入水速度是时变的，由于阻力的作用首先减速，动力系统启动后又经历一个加速过程。因此，大范围的速度变化，会对航行体的流体动力产生较大的影响。另外，从头部触水，到空泡消失，姿态基本稳定整个跨介质过程，姿态变化同样较大，航行体和执行机构(舵)可能反复经历出水、入水的过程，也会导致在此期间水下航行器自身流体动力参数变化较大，而舵力距系数随之发生较大变化。

对于水下航行器的控制系统设计来说，在跨介质入水阶段，由于空泡的影响，流体动力参数不稳定，此时，如果采用正常航行时的流体参数设计控制器，会导致航行器稳定闭环稳定性较差，甚至失稳。

目前，入水过程的流体参数估计主要采用进行外场空投试验，通过实测的方法得到航行器的跨介质入水过程运动参数，但需要耗费大量的时间、人力和物力。

2、基于非线性自适应滤波的时变流体参数估计

一般来说，航行器流体参数估计，属于参数辨识问题，主要解决当系统模型己知的条件下，确定模型中的一些未知参数的问题。通常意义下的水下航行器参数辨识是一个系统工程，包括四部分：①试验设计，使试验能为辨识提供含有足够信息量且信息分布均匀的试验数据；②模型结果确定，即从候选模型集中，根据一定的准则和经验，选出最优的模型构式；③参数辨识，根据辨识准则和数据求取模型中待定参数，这是辨识定量研究的核心阶段；④模型检验，确认所得模型是否确实反映了航行器动力学系统中的本质属性。这四个部分环环相扣，缺一不可，要反复进行，直到对所得流体动力模型满意为止。